Den största källan till global energiförbrukning är industriell tillverkning av produkter som plast, järn, och stål. Tillverkningen av dessa material kräver inte bara enorma mängder energi, men många av reaktionerna avger också direkt koldioxid som en biprodukt.

I ett försök att hjälpa till att minska denna energianvändning och de relaterade utsläppen, MIT kemiingenjörer har utarbetat ett alternativt tillvägagångssätt för att syntetisera epoxider, en typ av kemikalie som används för att tillverka olika produkter, inklusive plast, läkemedel, och textilier. Deras nya tillvägagångssätt, som använder elektricitet för att driva reaktionen, kan göras vid rumstemperatur och atmosfärstryck samtidigt som koldioxid elimineras som en biprodukt.

"Vad man inte ofta inser är att industriell energianvändning är mycket större än transport eller bostadsanvändning. Det här är elefanten i rummet, och det har skett mycket små tekniska framsteg när det gäller att kunna minska industriell energiförbrukning, " säger Karthish Manthiram, en biträdande professor i kemiteknik och seniorförfattaren till den nya studien.

Forskarna har ansökt om patent på sin teknik, och de arbetar nu med att förbättra effektiviteten i syntesen så att den kan anpassas för storskalig, industriell användning.

MIT postdoc Kyoungsuk Jin är huvudförfattare till tidningen, som visas online 9 april i Journal of the American Chemical Society . Andra författare inkluderar doktorander Joseph Maalouf, Nikifar Lazouski, och Nathan Corbin, och postdoc Dengtao Yang.

Allestädes närvarande kemikalier

Epoxider, vars viktigaste kemiska egenskap är en treledad ring som består av en syreatom bunden till två kolatomer, används för att tillverka så olika produkter som frostskyddsmedel, tvättmedel, och polyester.

"Det är omöjligt att gå under ens en kort period av sitt liv utan att röra eller känna eller bära något som någon gång i dess historia har involverat en epoxid. De är allestädes närvarande, " säger Manthiram. "De är på så många olika platser, men vi tenderar att inte tänka på den inbäddade energin och koldioxidavtrycket."

Flera epoxider är bland kemikalierna med de bästa koldioxidavtrycken. Produktionen av en vanlig epoxid, etylenoxid, genererar de femte största koldioxidutsläppen av någon kemisk produkt.

Att tillverka epoxider kräver många kemiska steg, och de flesta av dem är mycket energikrävande. Till exempel, reaktionen som används för att fästa en syreatom till eten, producerar etylenoxid, måste göras vid nästan 300 grader Celsius och under tryck som är 20 gånger högre än atmosfärstrycket. Vidare, det mesta av energin som används för att driva denna typ av tillverkning kommer från fossila bränslen.

Att öka koldioxidavtrycket, reaktionen som används för att producera etylenoxid genererar också koldioxid som en biprodukt, som släpps ut i atmosfären. Andra epoxider tillverkas med ett mer komplicerat tillvägagångssätt som involverar farliga peroxider, som kan vara explosivt, och kalciumhydroxid, som kan orsaka hudirritation.

För att komma fram till ett mer hållbart tillvägagångssätt, MIT-teamet tog inspiration från en reaktion som kallas vattenoxidation, som använder elektricitet för att dela vatten till syre, protoner, och elektroner. De bestämde sig för att försöka utföra vattenoxidationen och sedan fästa syreatomen till en organisk förening som kallas en olefin, som är en föregångare till epoxider.

Detta var ett kontraintuitivt tillvägagångssätt, Manthiram säger, eftersom olefiner och vatten normalt inte kan reagera med varandra. Dock, de kan reagera med varandra när en elektrisk spänning appliceras.

För att dra nytta av detta, MIT-teamet designade en reaktor med en anod där vatten bryts ner till syre, vätejoner (protoner), och elektroner. Manganoxidnanopartiklar fungerar som en katalysator för att hjälpa denna reaktion, och att införliva syret i en olefin för att göra en epoxid. Protoner och elektroner strömmar till katoden, där de omvandlas till vätgas.

Termodynamiskt, denna reaktion kräver bara cirka 1 volt elektricitet, mindre än spänningen för ett standard AA-batteri. Reaktionen genererar ingen koldioxid, och forskarna räknar med att de ytterligare kan minska koldioxidavtrycket genom att använda el från förnybara källor som sol eller vind för att driva epoxidomvandlingen.

Uppskalning

Än så länge, forskarna har visat att de kan använda denna process för att skapa en epoxid som kallas cyklooktenoxid, och de arbetar nu med att anpassa den till andra epoxider. De försöker också göra omvandlingen av olefiner till epoxider mer effektiv - i denna studie, cirka 30 procent av den elektriska strömmen gick in i omvandlingsreaktionen, men de hoppas kunna dubbla det.

De uppskattar att deras process, om den skalas upp, skulle kunna producera etylenoxid till en kostnad av $900 per ton, jämfört med $1, 500 per ton med nuvarande metoder. Den kostnaden kan sänkas ytterligare i takt med att processen blir mer effektiv. En annan faktor som kan bidra till den ekonomiska bärkraften för detta tillvägagångssätt är att det också genererar väte som en biprodukt, som är värdefull i sin egen rätt för att driva bränsleceller.

Forskarna planerar att fortsätta utveckla tekniken i hopp om att så småningom kommersialisera den för industriell användning, och de arbetar också med att använda elektricitet för att syntetisera andra typer av kemikalier.

"Det finns många processer som har enorma koldioxidavtryck, och avkarbonisering kan drivas av elektrifiering, " Manthiram säger. "Man kan eliminera temperatur, eliminera tryck, och använd spänning istället."